(57)【要約】【課題】  燃料電池セルにおける空気極セパレータの水蒸気圧の均一化を図る。【解決手段】  積層方向に隣接する一対の燃料電池セル２Ａ、２Ｂの空気極セパレータ８、１４に、空気極ガスを供給するための空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａが形成され、これら空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａに複数の水蒸気通過孔８Ｃ、１４Ｃが形成され、これら空気極セパレータ８、１４同士が相互に水蒸気の授受可能となるように、水蒸気を選択的に透過させる水蒸気透過膜１５を挟むように配置させ、水蒸気透過膜１５を挟む空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａ同士は、空気極ガスの流れ方向が互いに逆になるように設定した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極ガスを供給するための溝が形成された燃料極セパレータと、空気極ガスを供給するための溝が形成された空気極セパレータとが、高分子固体電解質を挟むように配設された燃料電池セルの複数が積層されてなる燃料電池であって、
積層方向に互いに隣接する一対の前記燃料電池セルを、前記空気極セパレータ同士が水蒸気の授受が可能となるように、水蒸気を選択的に透過させる水蒸気透過膜を挟むように配置させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水蒸気透過膜を挟む空気極セパレータ同士は、空気極ガスの流れ方向が互いに逆になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気極セパレータに、厚さ方向に貫通した開口を前記溝内に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された燃料電池。
【請求項４】
前記水蒸気透過膜は、電気絶縁性を有する樹脂でなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された燃料電池。
【請求項５】
前記空気極セパレータは導電性を有する材料で形成され、
前記水蒸気透過膜を挟む前記燃料電池セルの対を複数対備え、各対をなす前記燃料電池セルの前記空気極セパレータ同士の間に、電気伝導性を有する第１弾性体を挟み込み、
互いに隣接する対の空気極セパレータと燃料極セパレータとの間に、電気伝導性を有する第２弾性体を挟み込んだことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、さらに詳しくは、高分子固体電解質膜を燃料極セパレータと空気極セパレータで挟んだ構造の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高分子固体電解質膜を用いた燃料電池では、高分子固体電解質膜のプロトン伝導度を良い状態に保つために、湿度の高いガスを利用する必要がある。燃料電池内では、高分子固体電解質膜におけるガスの流れ方向に向かって、生成物である水の発生と反応物であるガスの消失が起こり、ガス出口の水蒸気の飽和比はガス入口の水蒸気の飽和比よりも高くなる。すなわち、ガス入口付近の飽和比を適切になるようにガス湿度を外部加湿器にて調湿すれば、ガス出口付近の飽和比が高くなり、反応ガスの分圧を低下させ燃料電池の発電性能の低下を招く。
【０００３】
一方、ガス出口付近の飽和比を適切になるようにガス湿度を外部加湿器にて調湿すれば、ガス入口付近の飽和比が低くなり高分子固体電解質膜のプロトン伝導度が低下し燃料電池の発電性能の低下を招く。このように、燃料電池の湿度は、ガス出口付近では水蒸気が過剰気味になるのに対して、ガス入口付近では水蒸気が不足気味になる。このような状態を緩和するために、ガスの流れの上流下流を隣接させて水蒸気の移動を促し、ガスの流れ方向の湿度分布の均一化を図るものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、電気伝導性を有するセパレータプレートに水蒸気透過膜の機能を併せ持たせ、空気極ガスから燃料極ガスの間で過剰な水蒸気を移動させるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１２６７４６号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】特許第３３３１１１７号公報（第１頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ガスの流れの上流下流には圧力損失による静圧差が存在する。また、セパレータプレートと接する触媒層はガス拡散性を有さなければならないため、触媒層自体の空孔率が高い構成となっているか、空孔率が高くかつ導電性を有するカーボン等の多孔質体を触媒層とセパレータプレートで挟み込む構成になっている。上記特許文献１のように、空孔率が高い構成体を境界としてガスの流れの上流下流を隣接させる構成では、静圧差に応じた反応ガスの移動が生じてしまうという問題点がある。
【０００５】
また、上記特許文献２のように、空気極ガスと燃料極ガスの間で水蒸気交換を行う構成では、ガス流量が相対的に小さい燃料極では少量の水が移動しただけで、燃料極の水蒸気の飽和比が上昇してしまうとう問題点がある。このため、水蒸気移動の駆動力となる水蒸気圧差が逓減してしまい、空気極の水蒸気が過剰な状態を緩和できないことがある。
【０００６】
本発明は、燃料電池セルにおける水蒸気圧の均一化を図ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、積層方向に互いに隣接する燃料電池セルの空気極セパレータ同士が、水蒸気を選択的に透過させる水蒸気透過膜を挟むようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水蒸気透過膜を挟む空気極セパレータ同士が、水蒸気透過膜を介して水蒸気の交換を行って水蒸気圧の均一化を図れる。このため、燃料電池の発電性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の燃料電池を例示し説明する。但し、図面は模式的なものであり、各材料層の厚みや膜厚比率等は現実のものをは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１の概略を示す断面説明図であり、一対の燃料電池セル２Ａ、２Ｂを積層した例を示すものである。なお、図１は、各層がシール材３０の介在により離間している状態を示すが、最終的にはこのシール材３０は圧迫されて各層同士は接合するようになっている。
【００１１】
先ず、図１の下部に配置された燃料電池セル２Ａの構成について説明する。燃料電池セル２Ａは、高分子固体電解質膜３の両主面に、触媒層を含むガス拡散層４、５が形成されてなるＭＥＡ（membrane electrode assembly）６と、ＭＥＡ６の一方（図１中下側）の主面に沿って配置された燃料極セパレータ（アノードプレート）７と、ＭＥＡ６の他方（図１中上側）の主面に沿って配置された空気極セパレータ（カソードプレート）８と、から構成されている。
【００１２】
また、図１の上部に配置された燃料電池セル２Ｂは、高分子固体電解質膜９の両主面に、触媒層を含むガス拡散層１０、１１が形成されてなるＭＥＡ１２と、このＭＥＡ１２の一方（図１中上側）の主面に沿って配置された燃料極セパレータ１３と、ＭＥＡ１２の他方（図１中下側）の主面に沿って配置された空気極セパレータ１４と、から構成されている。
【００１３】
そして、これら一対の燃料電池セル２Ａ、２Ｂは、互いの空気極セパレータ８、１４が対向するように配置され、これら空気極セパレータ８、１４の間に、水蒸気透過性及び電気絶縁性を有する樹脂でなる水蒸気透過膜１５が介在されている。なお、これら空気極セパレータ８、１４により流通される空気極ガスは、後述するように互いに逆方向に流れるように設定されている。
【００１４】
ここで、水蒸気透過膜１５とこれを挟む空気極セパレータ８、１４について図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ空気極セパレータ１４、水蒸気透過膜１５、空気極セパレータ８を上面側から見た平面図である。
【００１５】
これら水蒸気透過膜１５、空気極セパレータ８、１４には、対応する位置に、後述する各種のマニホルド形成されている。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は、燃料極ガスである水素（Ｈ２）の燃料極ガス入口マニホルド２２と、空気極ガス出口マニホルド２５と、空気極ガス入口マニホルド２６と、冷却水の入口マニホルド２８とが形成された部分を示している。
【００１６】
図２（ｃ）に示すように、空気極セパレータ８における水蒸気透過膜１５に対向する面（上面）と反対側の面（下面）には、複数列の平行な空気極ガス流通溝８Ａと、これら空気極ガス流通溝８Ａが合流して空気極ガス出口マニホルド２５に空気極ガスを案内する合流溝８Ｂとが形成されている。そして、これら空気極ガス流通溝８Ａには、空気極セパレータ８の厚み方向に貫通する複数の水蒸気通過孔８Ｃが溝に沿って所定間隔で形成されている。
【００１７】
また、図２（ａ）に示すように、空気極セパレータ１４における水蒸気透過膜１５に対向する面（下面）と反対側の面（上面）には、上記空気極セパレータ８と同様に、複数列の平行な空気極ガス流通溝１４Ａと、空気極ガス入口マニホルド２６から空気極ガスをこれら空気極ガス流通溝１４Ａへ流通させて分散させる分散溝１４Ｂとが形成されている。そして、空気極ガス流通溝１４Ａには、空気極セパレータ１４の厚み方向に貫通する複数の水蒸気通過孔１４Ｃが溝に沿って所定間隔で形成されている。
【００１８】
水蒸気透過膜１５およびそれを挟む空気極セパレータ８、１４は、図３に示すような配置でそれぞれ形成された、燃料極ガス入口マニホルド２２、燃料極ガス出口マニホルド２３、空気極ガス入口マニホルド２４、空気極ガス出口マニホルド２５、空気極ガス入口マニホルド２６、空気極ガス出口マニホルド２７、冷却水の入口マニホルド２８、冷却水の出口マニホルド２９が合致するように積層されている。
【００１９】
そして、燃料電池セル２Ａの燃料極セパレータ７の下には、順次、電気導電性を有する集電プレート１６、絶縁プレート１７、エンドプレート１８が積層されている。また、燃料電池セル２Ｂの上には、順次、電気導電性を有する集電プレート１９、絶縁プレート２０、エンドプレート２１が積層されている。このような積層体は、図１に示すように、気密性を要求される場所にシール材３０を介在させて、図３に示すように、例えば４本のタイロッド３１で各層同士が圧接するように固定されている。なお、図３はエンドプレート１８を下面から見た状態を示す図である。
【００２０】
なお、エンドプレート１８、絶縁プレート１７、集電プレート１６にも、燃料極ガス入口マニホルド２２、燃料極ガス出口マニホルド２３、空気極ガス入口マニホルド２４、空気極ガス出口マニホルド２５、空気極ガス入口マニホルド２６、空気極ガス出口マニホルド２７、冷却水の入口マニホルド２８、冷却水の出口マニホルド２９が形成されている。
【００２１】
また、図１に示すように空気極セパレータ８、１４は、一端部が側方へ延在されて集電端子８Ｄ、１４Ｄが形成されている。また、集電プレート１６、１９も一端部が延在されて集電端子１６Ａ、１９Ａが形成されている。
【００２２】
図３に示すように、矢印Ａが空気極セパレータ１４の空気極ガス流通溝１４Ａのガス流方向を示し、矢印Ｂが空気極セパレータ８の空気極ガス流通溝８Ａのガス流方向を示している。このように空気極セパレータ８と空気極セパレータ１４とでは、水蒸気透過膜１５を介して逆方向にガスが流れている。
【００２３】
図４は、図３で示した矢印Ａの沿った方向の位置を横軸として、縦軸に各位置毎の、すなわち空気極ガス入口マニホルド２５および空気極ガス出口マニホルド２５側から空気極ガス出口マニホルド２７および空気極ガス入口マニホルド２４に亘る各位置毎の、空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａの水蒸気分圧を示したものである。
【００２４】
図４中、破線は、水蒸気の移動が無かった場合、すなわち水蒸気透過膜１５を介さずに空気極セパレータ８、１４同士の空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａが独立している場合のプロファイルである。この場合は、それぞれ、空気極ガス入口マニホルド２６、２４から空気極ガス出口マニホルド２５、２７に向かって、水蒸気分圧が単調に増加するため、空気極ガス入口マニホルド２６、２４付近の水蒸気圧を確保しようとすると、空気極ガス出口マニホルド２５、２７付近では水蒸気圧が過剰となり、凝縮水が流路を閉塞させる問題や、ガス拡散を阻害する問題がある。
【００２５】
一方、空気極ガス出口マニホルド２５、２７付近の水蒸気圧を凝縮が起きない程度に抑えると、空気極ガス入口マニホルド２６、２４付近の水蒸気圧が低下して、高分子固体電解質膜３、９から水分の蒸発を促進してしまう問題がある。
【００２６】
図４に示す実線は、水蒸気透過膜１５を介して、実際に水蒸気の移動が起きた場合のプロファイルである。図４中破線で示された２本の水蒸気プロファイルの差圧が水蒸気移動の推進力となるため、空気極ガス入口マニホルド２６、２４付近および空気極ガス出口マニホルド２５、２７付近以外は、概ね平坦なプロファイルとなっている。
【００２７】
上述のように、本実施の形態によれば、互いに逆方向に空気極ガスが流れる空気極セパレータ８、１４の空気極ガス流通溝８Ａ、１４Ａに形成した複数の水蒸気通過孔８Ｃ、１４Ｃから水蒸気透過膜１５を介して水蒸気の授受が行われるため、両方の空気極セパレータ８、１４水蒸気の交換量を略同等にすることができ、水蒸気以外の反応ガスの透過量を低減しながら、空気極ガスの水蒸気圧の均一化を図ることができる。
【００２８】
また、図５は本実施の形態に係る燃料電池１の等価回路を示したものである。本実施の形態では、水蒸気透過膜１５が電気伝導性を有していないため、２つの独立した燃料電池セル２Ａ、２Ｂが形成されている。集電プレート１６、１９と、集電端子８Ｄ、１４Ｄとを適宜接続することにより、直列接続や並列接続が可能となる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池を示している。なお、本実施の形態に係る燃料電池において、上述した第１の実施の形態に係る燃料電池１と同一の部分には、同一の符号を付して説明する。
【００３０】
この燃料電池１００は、例えば８つの燃料電池セル１０１〜１０８が積層されて構成されている。なお、本実施の形態では、互いに隣接する一対の燃料電池セル１０２、１０３が水蒸気透過膜１５を挟んだ構成であり、上述の第１の実施の形態に係る燃料電池１の２つの燃料電池セル２Ａ、２Ｂに相当する。同様に、互いに隣接する燃料電池セル１０４、１０５の対、互いに隣接する燃料電池セル１０６、１０７の対も、ともに水蒸気透過膜１５が介在されており、上述の第１の実施の形態に係る燃料電池１の燃料電池セル２Ａ、２Ｂと同様の構成である。なお、本実施の形態においても、水蒸気透過膜１５は電気絶縁性を有している。
【００３１】
本実施の形態では、図６において最下位置の対の下側の燃料電池セル１０２の下に、燃料電池セル１０１が積層されている。また、最上位置の燃料電池セル１０７の上に、燃料電池セル１０８が積層されている。
【００３２】
そして、水蒸気透過膜１５を挟む空気極セパレータ８、１４のうちの一方の空気極セパレータ（本実施の形態では空気極セパレータ１４）の両端部が側方へ延在されて、集電端子１４Ｄ、１４Ｅとなっている。このように側方に延在された各端子には、貫通した孔（図示省略する）が形成されている。
【００３３】
なお、本実施の形態に係る燃料電池１００においても、水蒸気透過膜１５を介して配置された空気極セパレータ８、１４におけるガス流方向は互いに逆になるように設定されている。
【００３４】
このような構成としたことにより、図７に示すように、図６に示す構成に加えて電気伝導性を有する第１弾性体としてのカラー３２、第２弾性体としてのカラー３３と、非電気伝導性の弾性体できたカラー３４を挟み込んで回路を構成することが可能となる。そして、これらカラー３２、３３、３４とこれらカラーが挟み込まれるセパレータプレートを貫通する絶縁処理されたボルト３５、３６で締結することにより、図８に示すような等価回路で表される燃料電池１００が構成されている。このように、空気極セパレータなどに電流取り出し部を設けて、これにより直列接続の最低電圧プレートと最高電圧プレートとすることが可能となる。
【００３５】
上述の第２の実施の形態では、水蒸気透過膜１５を介して対向配置された燃料電池セルの対でなる単位が、複数積層して構成されている。このため、繰り返し単位内で略同電位となる空気極セパレータ同士が電気伝導性を有するカラー３３で接続され、空気極セパレータと、隣接する単位内の燃料極セパレータとを電気伝導性を有するカラー３４で接続したことにより、従来と同様の直列接続による高電圧化が可能となる。
【００３６】
また、上述の第２の実施の形態では、カラー３２、３３、３４が弾性体で形成されているため、各層を積層してボルト３５、３６で締結する際に、プレート側の損傷を防止しつつ、電気的導通や電気的絶縁を確実に図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る燃料電池は、車両用の燃料電池の他に家庭用並びに形態用の燃料電池用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池を示す側面説明図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池を構成する水蒸気透過膜を挟む一方の空気極セパレータの平面図、（ｂ）は水蒸気透過膜の平面図、（ｃ）は水蒸気透過膜を挟む他方の空気極セパレータの平面図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態に係る燃料電池をエンドプレート側から見た状態を示す底面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る燃料電池の空気極セパレータの水蒸気分圧とガス流方向位置との関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る燃料電池の等価回路図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の側面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の接続例を示す側面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の等価回路図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池
２Ａ、２Ｂ  燃料電池セル
３、９  高分子固体電解質膜
８、１４  空気極セパレータ
８Ａ、１４Ａ  空気極ガス流通溝
８Ｃ、１４Ｃ  水蒸気通過孔
８Ｄ、１４Ｄ  集電端子
１５  水蒸気透過膜
１６  集電プレート
１８、２１  エンドプレート
２４、２６  空気極ガス入口マニホルド
２５、２７  空気極ガス出口マニホルド
３３  カラー（第１弾性体）
３４  カラー（第２弾性体）
１００  燃料電池
１０１〜１０８  燃料電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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